東大過去問 2013年 第1問(要約)

/ 2月 24, 2020/ 第1問(要約), 東大過去問, 過去問/ 1 comments



The silk that spiders use to build their webs, trap their prey, and hang from the ceiling is one of the strongest materials known. But it turns out it’s not just the material’s exceptional strength that makes spiderwebs so durable.
Markus Buehler, an associate professor of civil and environmental engineering, previously analyzed the complex structure of spider silk, which gains strength from different kinds of molecular interactions at different scales. He now says a key property of the material that helps make webs strong is the way it can soften at first when pulled and stiffen again as the force increases. Its tendency to soften under stress was previously considered a weakness.
Buehler and his team analyzed how materials with different properties, arranged in the same web pattern, respond to localized stresses. They found that materials with simpler responses perform much less effectively.
Damage to spiderwebs tends to be localized, affecting just a few threads − the place where a bug got caught and struggled around, for example. This localized damage can be repaired easily or just left alone if the web continues to function adequately. “Even if it has a lot of defects, the web still functions mechanically virtually the same way,” Buehler says.
To test the findings, he and his team literally went into the field, pushing and pulling at spiderwebs. In all cases, damage was limited to the immediate area they disturbed.
This suggests that there could be important advantages to materials whose responses are complex. The principle of permitting localized damage so that an overall structure can survive, Buehler says, could end up guiding structural engineers. For example, earth quake-resistant buildings might bend up to a point, but if the shaking continued or intensified, specific structural elements could break first to contain the damage.
That principle might also be used in the design of networked systems: a computer experiencing a virus attack could shut down instantly, before its problems spread. So the World Wide Web may someday grow more secure thanks to lessons learned from the spidery construction that inspired its name.






土木環境工学の准教授であるマーカス・ビューラーは以前、蜘蛛の糸の複雑な構造を分析した。その糸は様々なスケールにおける様々な分子間作用によって強度を得ているのだった。 今、彼は次のように言う。蜘蛛の巣を丈夫にしているその素材の重要な特性とは、最初に引っ張られた時に柔らかくなり、引っ張る力が強くなった時には再び硬くなるというものであると。 負荷がかかった状態で柔らかくなる傾向は、以前なら脆弱性だと見なされた。
ビューラーのチームは、同じパターンで編まれた異なった特性を持つ素材が、網への局地的な負荷にどう反応するかを調べた。 するとシンプルな反応を持つ素材は効果的な働きを生まないことが分かった。
蜘蛛の巣へのダメージというものは局地的なものであり、数本の糸にしか影響しないことが多い。例えばそれは、虫が網にかかり、もがくような箇所である。 この局地的なダメージは簡単に修復できるし、網が十分機能するのであれば、放っておいても構わない。 「多くの欠損があっても、蜘蛛の巣は構造的にほとんど同様に機能する」とビューラーは言う。
その発見を立証するため、彼のチームは文字通り野原(現場)へ出て、蜘蛛の巣を押したり引いたりした。 全ての実験で、ダメージは彼らが直接動かしたエリアのみに限定されていた。
この結果は、複雑な反応を持つ素材には大きな長所がありうることを示唆している。 構造全体を維持するために局地的なダメージを許容するという仕組みは、建築工学のエンジニアにとってヒントになるかもしれない、とビューラーは言う。 例えば、耐震ビルはある程度まで曲がり、揺れが継続するか強くなった場合には、特定の部分が最初に壊れることで、ダメージを抑制するというやり方もありうるだろう。
この仕組みはネットワークシステムのデザインにも使用できるかもしれない。例えばウイルスの攻撃を検知した単体のコンピュータが即座にシャットダウンすることで、問題がネットワークに拡散するのを防ぐことができるかもしれない。 だからWWW(ワールドワイドウェブ)は、その名前の由来となった蜘蛛の巣の構造から得た教訓によって、いつかもっと安全なものになるかもしれない。




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  1. クモの糸は、複数の分子相互作用故の強度を有し、クモの巣の部分的な障害が構造全体に影響することを防ぐ。この原理は、耐震性の建築物や電脳連絡網に応用され得る。(77字)

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